Luận văn Nghiên cứu mô phỏng hiện tượng QĐA trong lưới điện phân phối khi xảy ra ngắn mạch một pha và tìm cách đề xuất một phương thức lựa chọn CSV hợp lý

- 1 - MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................................. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................................... 6 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ............................................................................................................................... 11 1.1. PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ................................................... 11 1.2. CHẾ ĐỘ NỐI ĐẤT ĐIỂM TRUNG TÍNH VÀ VẤN ĐỀ VẬN HÀNH LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ..... 15 1.2.1 Mạng điện ba pha trung tính cách điện đối với đất ............................. 16 1.2.2 Mạng điện ba pha trung tính nối qua cuộn dập hồ quang ................... 22 1.2.3. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện trở nhỏ ....................... 25 1.2.4 Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng nhỏ ................... 26 1.2.5 Mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp ..................................... 27 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP DO CHẠM ĐẤT MỘT PHA TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ............................................................................................. 31 2.1. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ THỨ TỰ KHÔNG CỦA ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ... 31 2.1.1. Khái niệm cơ bản về tổng trở trong hệ tọa độ pha ABC .................... 31 2.1.2. Ma trận tổng trở ABC trong trƣờng hợp có vật dẫn nối đất độc lập đi kèm ........................................................................................................................ 35 2.1.3. Tính toán các phần tử của ma trận tổng trở ABC + N ........................ 37 2.1.4.Tính toán ma trận tổng trở thứ tự thuận nghịch không từ ma trận tổng trở ZABC ............................................................................................................. 44 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO SỰ CỐ CHẠM ĐẤT MỘT PHA TRONG LƢỚI TRUNG ÁP .................................................................................................................. 47 2.2.1. Phƣơng pháp các thành phần đối xứng ............................................... 47 2.2.2. Phƣơng pháp số giải hệ phƣơng trình vi phân mô tả hệ thống điện ... 50 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP DO NGẮN MẠCH CHẠM ĐẤT MỘT PHA Ở LƢỚI TRUNG ÁP ...................................................................................... 57 3.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATP-EMTP ................................................................................... 57 - 2 - 3.2. MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN HỆ SỐ QUÁ ÁP CỦA MỘT XUẤT TUYẾN LƢỚI TRUNG ÁP BẰNG ATP/EMTP ............................................................................................................................... 61 CHƢƠNG 4: VẤN ĐỀ LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN .......................................................... 66 4.1. TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VỀ LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG CHỐNG SÉT VAN ......................... 66 4.1.1. Tổng quan ............................................................................................ 66 4.1.2. Lựa chọn CSV có khe hở sử dụng điện trở phi tuyến (SiC) ................. 71 4.1.3. Lựa chọn CSV không khe hở sử dụng oxit kim loại ............................. 78 4.1.4. Ứng dụng của CSV .............................................................................. 86 4.2. ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN IEC 60099-5 VÀO VIỆC LỰA CHỌN CHỐNG SÉT VAN CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ...................................................................................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 106 - 3 - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào khác. Hà Nội, tháng 11 năm 2010 Tác giả luận văn Nguyễn Đoàn Quyết - 4 - CÁC TỪ VIẾT TẮT ATP Alternative Transient Program BIL Basic Impulse Level CSV Chống sét van CN Công nghiệp COV Continuous Operating Voltage DCS Dây chống sét EMTP ElectroMagnetic Transient Program IEC International Electrotechnical Commission MBA Máy biến áp MCOV Maximum Continuous Operating Voltage NEMP Nuclear Electromagnetic Pulses NNEMP Non-Nuclear Electromagnetic Pulses TBA Trạm biến áp TOV Temporary OverVoltage TTT Thứ tự thuận TTK Thứ tự không QĐA Quá điện áp - 5 - DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số nguyên nhân gây QĐA tạm thời, biên độ và thời gian tồn tại...... 14 Bảng 1.2 Dòng điện chạm đất cho phép của các đường dây tương ứng với các cấp điện áp khác nhau ...................................................................................................... 22 Bảng 3.1. Thông số các phần tử lưới điện 35kV ....................................................... 61 Bảng 3.2. Hệ số quá điện áp tạm thời (TOV) theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất dọc chiều dài đường dây ........................................................................................... 64 Bảng 3.3. Hệ số quá điện áp quá độ cực đại theo vị trí điểm ngắn mạch chạm đất dọc chiều dài đường dây tương ứng với lưới điện đang xét ở trên ........................... 64 Bảng 4.1: Giá trị dòng điện quy định với thí nghiệm ngắn mạch CSV (thời gian tồn tại ngắn mạch khoảng 1/6 chu kỳ điện áp tần số CN)............................................... 78 Bảng 4.2: Hằng số điện áp A cho một số dạng đường dây trên không ..................... 93 - 6 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ đơn giản mạng điện 3 pha trung tính cách điện với đất .................. 16 Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện 3 pha trung tính cách đất khi có sự cố chạm đất 1 pha . 17 Hình 1.3 Mạng điện 3 pha trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang ...................... 23 Hình 1.4. Mạng điện ba pha trung tính nối đất qua điện kháng ................................ 26 Hình 1.5. Sơ đồ mạng điện ba pha trung tính nối đất trực tiếp ................................. 27 Hình 2.1: Phân bố từ thông trên mạch vòng dòng điện pha A .................................. 31 Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tương đương của ma trận tổng trở .................................... 35 Hình 2.3. Đường dây một pha hai dây dẫn đơn ....................................................... 39 Hình 2.4. Phân bố dòng điện một chiều trong đất ..................................................... 41 Hình 2.5. Phân bố cường độ điện trường của dòng điện xoay chiều khi đi vào đất . 41 Hình 2.6. Phân bố dòng điện xoay chiều trong đất ................................................... 42 Hình 2.7. Sơ đồ lưới điện 110/22 kV ........................................................................ 48 Hình 2.8. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận (TTT) và thứ tự không (TTK) ...................... 48 Hình 2.9. a)Biến thiên hệ số quá điện áp k theo tỉ số X0/X1 với trường hợp R1/X1=R = 0 .............................................................................................................................. 50 b) Quan hệ giữa tỉ số R0/X1 và X0/X1 khi giữ hệ số quá điện áp cố định khi R1=X1 50 Hình 2.10. Sơ đồ lưới điện tại nút 1 .......................................................................... 51 Hình 2.11. Sơ đồ thay thế 3 pha lưới điện 110/22kV trong ATP/EMTP ................. 55 Hình 3.1. Tổng quan về các mô đun trong ATP/EMTP ........................................... 60 Hình 3.2. Sơ đồ xuất tuyến 35kV .............................................................................. 61 Hình 3.3. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính cách điện trong ATP/EMTP ............... 61 Hình 3.4. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách điện, ngắn mạch chạm đất pha A) ............................................................................. 62 Hình 3.5. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính cách điện, ngắn mạch chạm đất pha A) ............................................................................. 62 Hình 3.6. Sơ đồ xuất tuyến 35kV trung tính nối đất trực tiếp trong ATP/EMTP ..... 62 Hình 3.7. Điện áp các pha tại đầu đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính nối đất trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A) ...................................................................... 63 - 7 - Hình 3.8. Điện áp các pha tại cuối đường dây (xuất tuyến 35kV, trung tính nối đất trực tiếp, ngắn mạch chạm đất pha A) ...................................................................... 63 Hình 4.1. Quy trình kiểm tra và lựa chọn CSV ......................................................... 70 Hình 4.2. Truyền sóng trong trường hợp trạm không có lưới nối đất (trạm treo) .... 91 Hình 4.3. Truyền sóng trong trường hợp trạm có lưới nối đất .................................. 91 Hình 4.4. Sơ đồ một sợi của xuất tuyến 372 E8.3..................................................... 95 Hình 4.5. Sơ đồ thay thế trong ATP-EMTP của xuất tuyến 372 E8.3 ...................... 96 Hình 4.6. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn .................. 96 Hình 4.7. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp xa nhất (Quảng Châu 3) ................................................................................................................................... 97 Hình 4.8. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch pha A tại Quảng Châu 3) ........................................................................................... 97 Hình 4.9. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Quảng Châu 3 (ngắn mạch pha A tại Quảng Châu 3) ................................................................................ 97 Hình 4.10. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp đầu nguồn (ngắn mạch pha A tại Liên Phương 4) ......................................................................................... 98 Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các pha tại trạm biến áp Liên Phương 4 (ngắn mạch pha A tại Liên Phương 4) ............................................................................... 98 - 8 - MỞ ĐẦU M.1.Lý do chọn đề tài Lưới điện phân phối của Việt Nam hiện chưa được đầu tư vốn tương xứng với yêu cầu. Thông thường với các nước tiên tiến trên thế giới, nguồn vốn yêu cầu đầu tư cho lưới điện phân phối chiếm khoảng 50% tổng vốn đầu tư cho toàn ngành. Nước ta do điều kiện khó khăn về kinh tế, nền kinh tế nghèo nàn nhỏ lẻ, đi lên từ sau chiến tranh cộng với bối cảnh vừa hòa nhập vào kinh tế thế giới, tốc độ tăng trưởng phụ tải rất nhanh, thường xuyên xảy ra thiếu hụt điện năng nên nguồn vốn thường ưu tiên tập trung phát triển nguồn điện cũng như lưới điện truyền tải. Nguồn vốn đầu tư cho nguồn và lưới truyền tải của Việt Nam hiện chiếm khoảng 85% (60% cho nguồn và 25% cho lưới truyền tải), còn lại 15% là vốn đầu tư cho lưới phân phối. Vấn đề này hiện nay đã và đang đặt ra rất nhiều bất cập mà ngành điện cũng như các khách hàng của mình đang cùng phải đối mặt bao gồm: lƣới điện xuống cấp, độ tin cậy không cao, chất lƣợng điện năng thấp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng lớn, khả năng tự động hóa kém….Một vấn đề rất quan trọng cũng chưa được quan tâm đúng mức đó là hiện tượng quá điện áp xảy ra trong lƣới phân phối. Việc lựa chọn CSV trong lưới điện này thường được chọn một cách đơn giản, ít xem xét vị trí lắp đặt, chế độ điểm trung tính (trung tính cách điện, trung tính nối đất hiệu quả, trung tính nối đất qua tổng trở), dẫn đến là CSV có thể bị quá áp khi có sự cố chạm đất một pha. Nội dung bản luận văn này sẽ tập trung đi sâu nghiên cứu mô phỏng hiện tượng QĐA trong lưới điện phân phối khi xảy ra ngắn mạch một pha và tìm cách đề xuất một phương thức lựa chọn CSV hợp lý. M.2.Lịch sử nghiên cứu 1. Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ảnh hƣởng của phƣơng thức nối đất trung tính đến việc lựa chọn cách điện trong lƣới điện trung thế” - Nguyễn Thanh Hải – ĐHBK Hà Nội -2009. Nội dung: nghiên cứu hệ số quá áp trong lưới điện trung áp trong các tình huống xảy ra quá áp do sự cố phức tạp bao gồm ngắn mạch chạm đất, đứt dây chạm đất và quá điện áp cộng hưởng. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh - 9 - hưởng của các vấn đề trên đến việc lựa chọn cách điện nói chung và chưa đề cập tới việc lựa chọn cụ thể của CSV. 2. Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ứng dụng của nối đất trung tính qua tổng trở nhỏ để giải quyết bài toán nối đất của các trạm biến áp 110/22 (35)kV ở Việt Nam” - Nguyễn Lƣơng Mính - ĐHBK Đà Nẵng. Một trong những nội dung nghiên cứu của Luận văn là về biến thiên hệ số quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch chạm đất một pha trong lưới trung áp có các phương thức nối đất trung tính khác nhau, biến thiên của hệ số quá điện áp theo tỉ số X0/X1 tại điểm xảy ra sự cố dẫn tới làm thay đổi hiệu quả của nối đất trung tính (tại TBA), luận văn đề xuất ý tưởng tiếp tục nghiên cứu ứng dụng để giải quyết bài toán lựa chọn CSV tại các điểm khác nhau trong lưới trung áp. M.3.Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu quá điện áp trên một lưới điện trung áp 35 kV điển hình với các chế độ nối đất trung điểm khác nhau bằng mô phỏng trên phần mềm ATP/EMTP khi xảy ra sự cố chạm đất một pha và xem xét ứng dụng vào việc lựa chọn CSV ở lưới điện trung áp. M.4.Tóm tắt cơ bản các luận điểm và đóng góp mới của tác giả - Nghiên cứu lý thuyết về các dạng quá điện áp có khả năng xuất hiện trong lưới điện trung áp (bao gồm QĐA khí quyển, QĐA thao tác) - Tổng quan về vấn đề quá điện áp do sự cố chạm đất một pha trong lưới điện trung áp bao gồm dải biến thiên của hệ số quá áp cũng như các tham số chính ảnh hưởng tới biên độ QĐA - Mô phỏng và tính toán quá điện áp do sự cố chạm đất một pha bằng phần mềm ATP/EMTP - Xem xét quy trình lựa chọn CSV và ứng dụng vào lưới điện trung áp - 10 - M.5.Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu các nội dung lý thuyết liên quan tới vấn đề quá điện áp do sự cố ngắn mạch chạm đất một pha và sử dụng mô phỏng trên mô hình máy tính để kiểm chứng. Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm 4 chương trình bày trên trang, bao gồm: Chương 1: Nghiên cứu lý thuyết về quá điện áp trong lưới điện trung áp Chương 2: Tổng quan về vấn đề quá điện áp do chạm đất một pha trong lưới điện trung áp Chương 3: Mô phỏng và tính toán quá điện áp do ngắn mạch chạm đất một pha ở lưới điện trung áp Chương 4: Vấn đề lựa chọn Chống sét van Để hoàn thành luận văn này, trước hết tác giả xin gửi lời tri ân sâu sắc tới gia đình và em trai đã luôn hết sức động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả yên tâm tập trung nghiên cứu. Đồng thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS. Trần Văn Tớp, người đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời về nội dung và tiến độ của luận văn. Cuối cùng, tác giả cũng không thể quên được những nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình của Viện SĐH Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn chế, luận văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự đánh giá, góp ý của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để hoàn chỉnh thêm nội dung của luận văn. - 11 - CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 1.1. PHÂN LOẠI QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP Quá điện áp (QĐA) trong hệ thống điện là hiện tượng điện áp trong toàn hệ thống hoặc một bộ phận của hệ thống tăng lên cao hơn trị số điện áp định mức của một hoặc nhiều phần tử trong đó. Về cơ bản, các dạng QĐA ở lưới điện trung áp cũng giống như ở các cấp điện áp cao khác. Chúng khác nhau chủ yếu ở biên độ, dạng sóng, xác suất xuất hiện và mức độ thiệt hại do QĐA gây ra. Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh, QĐA được chia làm hai nhóm: QĐA ngoài và QĐA nội bộ * QĐA ngoài: được phát sinh từ các nguyên nhân bên ngoài hệ thống điện, tức biên độ của nó không phụ thuộc vào cấp điện áp của hệ thống. QĐA ngoài được chia làm hai loại: QĐA sét và QĐA phát sinh do xung bức xạ hạt nhân (NEMP- Nuclear Electromagnetic Pulses) hoặc phi hạt nhân (NNEMP- Non-nuclear Electromagnetic Pulses). - QĐA sét xuất hiện do các phóng điện từ các đám mây xuất hiện trong tầng bình lưu của trái đất, nó là nguyên nhân gây ra gần 50% các sự cố ngắn mạch trên các đường dây cấp điện áp từ 300kV trở lên [17]. Phóng điện sét thường có dạng đơn cực bao gồm cực tính âm và cực tính dương. Cú sét cực tính dương thường chỉ bao gồm một phóng điện sét thành phần với biên độ cực kì lớn, có thể đạt tới mức 250 kA. Ngược lại, cú sét cực tính âm thường gồm nhiều cú sét thành phần với biên độ nhỏ hơn nhiều, vào khoảng 80 kA. Theo nghiên cứu, khoảng 90% các cú sét đánh xuống công trình điện và lân cận là mang cực tính âm [9]. Dưới góc độ quá điện áp, thông số quan trọng nhất của phóng điện sét chính là hình dạng và biên độ xung dòng điện sét. QĐA do sét gây ra cho đường dây tải điện thường xảy ra khi: + Sét đánh trực tiếp vào dây dẫn - 12 - + QĐA cảm ứng khi sét đánh xuống đất gần đường dây + Phóng điện ngược trên cách điện đường dây Biên độ QĐA phụ thuộc vào tổng trở sóng của đường dây và trị số dòng điện sét, có thể vượt trị số 1MV. Sóng QĐA này lan truyền dọc theo đường dây về trạm biến áp và có thể gây phóng điện chọc thủng cách điện của các thiết bị. Vì thế vấn đề bảo vệ chống QĐA do sét gây ra trước tiên cần xác định xác suất xuất hiện của các dạng dòng điện sét cũng như cường độ hoạt động của giông sét tại khu vực nghiên cứu. - QĐA phát sinh do nguồn xung điện từ bức xạ hạt nhân hoặc không có nguồn gốc hạt nhân (Nuclear Electromagnetic Pulses -NEMP, Non-nuclear Electromagnetic Pulses -NNEMP). Các xung này có thời gian đầu sóng cực kì ngắn (cỡ <10 ns) và biên độ hàng chục kA. Xác suất xuất hiện của QĐA điện từ rất nhỏ vì thế thường được bỏ qua khi quy hoạch thiết kế hệ thống điện. QĐA sét có nguyên nhân bên ngoài cấu trúc lưới điện, do đó lƣới điện trung áp hoàn toàn có khả năng phải nhận các cú sét có biên độ lớn và đầu sóng dốc. Việc nghiên cứu bảo vệ chống quá điện áp liên quan tới xác định mật độ sét và xác suất xuất hiện các cú sét biên độ lớn. * QĐA nội bộ: QĐA nội bộ về cơ bản có liên hệ tới cấu trúc hệ thống điện và các tham số khác của nó. QĐA nội bộ xuất hiện chủ yếu trong quá trình thực hiện các thao tác đóng cắt hoặc do các sự cố. QĐA nội bộ được phân chia làm 2 nhóm chính, căn cứ vào thời gian tồn tại (từ vài trăm micro giây tới vài giây) và dạng sóng: QĐA quá độ và QĐA tạm thời . - QĐA quá độ (Transient Overvoltage) có năng lượng lớn hơn nhiều so với QĐA sét nhưng lại có biên độ thấp hơn và thời gian tồn tại ngắn (cỡ vài ms và ngắn hơn), xuất hiện do một số nguyên nhân sau đây: đóng cắt đường dây truyền tải, cắt dòng điện dung nhỏ (tụ điện, đường dây và cáp không tải), cắt dòng điện cảm nhỏ (máy biến áp không tải, cuộn kháng), việ